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频谱仪中的零频和负频

加油射频工程师 2022-04-29 12:40
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 哪里会有零频和负频？

相信做过射频的童鞋们对频谱分析仪一定不会陌生。
不知道有没有人注意到：在使用Keysight的频谱仪的时候，把Start Frequency设置为负频率，我们发现在频谱仪的Zero Frequency上有一个很高的信号。
当我们输入一个50MHz的信号时候，如下图所示，我们发现频谱除了50MHz的信号之外，还有一个-50MHz的信号及零频的信号。
对于R&S的仪表在频率设置上关闭了Zero Frequency和负频率的设置。
那么Zero Frequency和负频率的信号产生机理是什么？他们又有什么影响呢？

图表1 频谱仪中的零频和负频

什么原因导致零频和负频？

讲到这里。我们先得知道频谱仪的工作原理

通常情况下。获取频谱的方式有两种：

  1. FFT模式：通过ADC采集中频带宽内的数据，在FPGA或者DSP内做FFT分析，这种模式下，受限于中频的带宽及DSP的资源问题，一般情况下很难做到大的带宽。当前最先进的Keysight N9040系列最大的处理带宽可以做到1G。

  2. 扫频模式。通过本振频率的变化来达到扫频的目的。这种模式下每一个频点的数据会有一定的时间差，这种模式只能有用频谱分析，无法做信号域的分析。

今天我们讲的这个问题就是在扫频模式下会出现。下图是频谱分析仪的简化框图。

图表2频谱仪射频简化框图

频谱仪作为宽带的接收机。如果要保证去杂散性能及实现超宽带的射频带宽，就必须使用一个很高的中频频点。（具体去读<射频系统中的滤波器>一文）。
Keysight选择的第一级中频为5.122.5MHz。扫描发生器给Mixer1提供可调谐的本振信号LO1使得RF信号经过第一级混频后变为第一中频5.1225GHz。

具体推到如下：


                                     

因此我们知道频谱仪在显示屏上从左至右扫描实际上是本振1的频率在变化。
那么，假如频谱仪的扫频范围为-80MHz到3.6GHz时，当把扫频时间增加可以发现显示屏上会从左至右依次更新频谱，对应本振1的频率变化为：从5.0425GHz至8.7225GHz。当RF端口接入50MHz单音信号时：

  1. 当扫频至50MHz时，本振1频率为5.1725GHz时，经过混频器1得到：5172.5GHz（FLO），5.2225GHz（FLO+FIN）和5.1225GHz（FLO-FIN）以及其他的混频谐波，5.1225GHz即是所需中频信号，其余均被后级各滤波器滤除。频谱仪会显示出50MHz的信号功率。

  2. 扫频为-50MHz时，本振1频率为5.0725GHz时，经过混频器1后得到：5072.5GHz（FLO），5.1225GHz（FLO+FIN）和5.0225GHz（FLO-FIN）以及其他混频谐波，我们发现也有5.1225GHz的信号，那么频谱仪就会产生一个-50MHz的信号。

  3. 当扫频为DC（即0Hz时），本振1频谱为5.1225GHz时，经过混频器1后得到频为5122.5GHz，5.1725GHz（FLO+FIN）和5.0725GHz（FLO-FIN）,以及其他混频谐波，但是由本振泄露造成的5122.5GHz被认为是有用信号，那么此时就会出现一个零频的信号在频谱仪上。

其实产生的原因就是这么简单。

 

零频和负频有什么危害呢？

因为我们现实中并没有负频率，只有在复信号域（可以去读IQ那篇文章），所以负频率我们知道其产生的原因即可。其实质上是没有危害的。
那么，零频的信号有危害么？答案是肯定的。
做射频电路的童鞋们都知道，混频器对于本振的功率要求很高，且宽带变频器的本振泄露是非常之大的。且在滤波器的带内，并没有办法通过滤波器消除（除非我们频谱仪的不支持测试低频信号）。
主要的危害就是影响低频信号的测试：

  1. 由于RBW的问题，0频的功率谱泄露会影响极低频率的最小测试能力。甚至在几Hz或者几十Hz的信号无法测试。

  2. 当测试低频信号时，LO泄露和较大的IF信号会出现交调信号，从而影响谐波的测试能力。

  3. 还有么？等待我们去发现

那么怎么办呢？
所以频谱仪为了做到更低频率（几Hz）的测试，就需要处理掉这个LO的泄露。校准的原理同IQ校准原理是一样的。大家可以去翻翻前面的文档（从欧拉公式到IQ调制器的使用）。



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